заключаются в создании и эксплуатации двигателя ВКС – ГПВРД. Напомним, что полет в космическое пространство ВКС начинает со взлета, затем следует разгон, набор скорости и высоты и фаза выхода на орбиту. На каждом из этих этапов необходим оптимально работающий двигатель, а требования этапов полета к двигателю зачастую вступают в противоречия между собой и с общей концепцией аппарата. Именно нерешенность вопроса разработки многорежимной воздушно-реактивной двигательной установки в сочетании с необходимостью значительного финансирования на разработку уникальных технологий не позволили в 70-х гг. прошлого века в СССР создать авиационно-космическую систему «Спираль», в 80-х реализовать английский проект HOTOL, а в начале 90-х заставили американцев отказаться от аппарата NASP.
Российские и зарубежные работы по исследованию проблем разработки ГПВРД показали, что создание ВКС будет экономически обоснованно только тогда, когда появятся новые конструкционные и теплозащитные материалы и будут разработаны многорежимные воздушно-реактивные двигатели. Специалисты полагают, что один из наиболее перспективных путей – создание гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей.
Решение таких задач возможно только при существенной экономической поддержке предприятий авиационной и ракетно-космической отраслей со стороны государства, поскольку создание подобных систем исключительно на коммерческой основе вряд ли осуществимо.
Разработка первых работоспособных ГПВРД в Советском Союзе началась более 20 лет назад. 6 марта 1979 г. Комиссия Президиума Совета Министров СССР по военно- промышленным вопросам утвердила комплексный план научно-исследовательских работ по применению криогенного топлива для авиационных двигателей. Основная задача этого плана – создание самолетов с силовыми установками, работающими на жидком водороде и сжиженном природном газе. Предусматривалась также разработка летательных аппаратов со сверхзвуковыми и гиперзвуковыми скоростями полета. План охватывал решение большого круга вопросов – от поиска наиболее эффективных способов промышленного производства криогенных видов топлива до создания опытных образцов и моделей газотурбинных двигателей и ГПВРД. К работе были подключены Академия наук СССР, Минавиапром, ряд ОКБ и заводов. Головной организацией в части разработки и испытаний двигателей на криогенном топливе для высокоскоростных самолетов был утвержден ЦИАМ им. П.И. Баранова.
Важнейшей особенностью ГПВРД является горение топлива в сверхзвуковом потоке воздуха. Поскольку на наземных стендах все условия гиперзвукового полета принципиально невоспроизводимы, потребовались летные эксперименты. Их программа обсуждалась параллельно с выполнением первых теоретических оценок возможности реализации цикла ГПВРД. В США предполагалось провести первые летные испытания ГПВРД на уникальном исследовательском самолете Х-15, разгонявшемся до скорости, соответствующей числу М=6, ракетным двигателем. Идея осталась неосуществленной: построенный в единственном экземпляре Х-15 разбился за несколько дней до запланированного полета с работающим ГПВРД.
В советской программе решено было использовать зенитные ракеты, разработанные и серийно выпускавшиеся химкинским МКБ «Факел». Реализация программы из-за дефицита средств и начавшихся «перестроек» продвигалась не так быстро, как хотелось бы. Только в 1991 г. впервые в мире идея создания ГПВРД была подтверждена летными испытаниями, проведенными в Казахстане у озера Балхаш.
Для летных испытаний ГПВРД была создана специальная гиперзвуковая летающая лаборатория (ГЛЛ) «Холод» – по существу, летающий стенд со всеми необходимыми автоматическими системами: подачи топлива, управления режимами испытаний и измерения параметров ГПВРД. ГЛЛ «Холод» была построена на базе зенитной ракеты комплекса С-200. Выбор этой ракеты обуславливался тем, что параметры траектории ее полета были близкими к необходимым для летных испытаний ГПВРД. Немаловажным считалось и то, что эта ракета снималась с вооружения, и ее стоимость была низкой.
Боевая часть ракеты была заменена головными отсеками ГЛЛ «Холод», в которых размещались система управления полетом, емкость для жидкого водорода с системой вытеснения, система регулирования расхода водорода с измерительными устройствами и, наконец, экспериментальный ГПВРД Э-57 осесимметричной конфигурации.
Первоначально концепция и конструкция экспериментального ГПВРД были разработаны ЦИАМ и Тураевским МКБ «Союз». Последний вариант конструкции выполнен воронежским КБХА и ЦИАМ.
Экспериментальный ГПВРД Э-57 был предназначен для работы в диапазонах полетных чисел М=3,5- 6,5 и высот 15-35 км. Он состоит из осесимметричного трехскачкового воздухозаборника, коаксиальной камеры сгорания и кольцевого сопла небольшой степени расширения. Обечайка и центральное тело образуют кольцевую камеру сгорания со специальным профилированием по длине. На стенках камеры размещены три пояса подачи водорода. Первый пояс подачи с нишевым стабилизатором пламени расположен на центральном теле. Здесь водород подается в камеру сгорания через 42 отверстия диаметром 1,7 мм. Второй пояс со ступенчатым стабилизатором пламени расположен на обечайке, третий пояс с нишевым стабилизатором – на центральном теле. Во втором и третьем поясах также имеются по 42 отверстия, но диаметром 2,1 мм. В этих поясах установлены стандартные авиационные свечи электрической системы воспламенения.
Камера сгорания имеет регенеративную систему охлаждения. Жидкий водород из бортовой емкости проходит по каналам в стенках обечайки и центрального тела, охлаждает огневые стенки, направляется через заслонки регулятора в пояса подачи и далее – через 126 упомянутых отверстий – в полость камеры сгорания.
Напряженность режима работы камеры сгорания достаточно полно характеризуется двумя цифрами: температура стенок достигает 1200К, а водород, первоначально жидкий, охлаждая камеру сгорания, нагревается до 1000К.
На стенках воздухозаборника, центрального тела и обечайки размещены 68 отверстий для измерения давления в проточном тракте и 25 хромель-алюмелевых и хромель- копелевых термопар, предназначенных для измерения температуры стенки. Кроме того, 20 термопар различного типа установлены в тракте охлаждения, магистралях подачи и бортовой емкости водорода.
Бортовая емкость для жидкого водорода состоит из внутреннего сосуда и наружного кожуха, связанных между собой опорами по торцам. В пространстве между ними создано разрежение с остаточным давлением менее 102 мм рт.ст. для термоизоляции внутреннего сосуда. Бортовая емкость, созданная специально для ГЛЛ «Холод», прошла большой объем автономной отработки и без замечаний работала в проведенных полетах.
К настоящему времени в общей сложности проведено семь полетов. Первые два полета с габаритно- весовыми макетами головных отсеков по программе летно-конструкторских испытаний позволили отладить новую систему управления ракеты для обеспечения требуемой траектории. В пяти полетах использовался реальный ГПВРД с подробной препарировкой проточного тракта камеры сгорания. В трех полетах в камеру сгорания ГПВРД подавался жидкий водород.
Время работы ГПВРД в полете увеличивалось от одного испытания к другому и в последнем полете составило 77 с, что соответствовало максимальному времени полета ракеты комплекса С-200. Установлено, что работоспособность камеры сгорания сохранялась и после ее выключения.
| Основные характеристики |
